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Bomba de engranajes externos
EXPERIMENTO N°
BOMBA DE ENGRANAJES
EXTERNOS
INTRODUCCIÓN
En su manera más general, una máquina se
puede definir como un intercambiador de
energía. El tipo de máquinas en las que el
intercambio se realiza con un fluido que
circula a través de la misma se denominan
máquina de fluido.
Las máquinas de fluido se dividen a su vez
en máquinas térmicas y máquinas
hidráulicas. Estos dos tipos de máquinas
de fluido se diferencian básicamente por el
cambio de densidad que sufre el fluido
durante su paso por la máquina. [1]
Continuando con la clasificación de las
máquinas hidráulicas, estas se dividen en
turbomáquinas y máquinas de
desplazamiento positivo. Este tipo de
máquinas se diferencian por su principio
de funcionamiento y el papel que
desempeña la velocidad del fluido en su
operación. Estás a su vez, se clasifican en
máquinas motoras o generadoras según la
dirección del intercambio de energía. Las
primeras absorben energía del fluido y
restituyen energía mecánica, mientras que
las segundas absorben energía mecánica y
restituyen energía al fluido. [1]
Las máquinas de desplazamiento positivo,
también denominadas máquinas
volumétricas realizan el intercambio de
energía al fluido convirtiendo energía
mecánica en energía de presión creada a
partir de la variación de volumen en una
1 En la práctica, las fugas internas producen pérdidas aproximadamente proporcionales a la presión de descarga. Debido a este deslizamiento,
cámara, denominada cámara de bombeo.
En este tipo de máquinas, los cambios en
la dirección y la magnitud de la velocidad
del fluido no juegan un papel esencial. [1]
Las máquinas de desplazamiento positivo
se clasifican en bombas de tipo alternativa
y rotativa, según el tipo de movimiento del
órgano intercambiador del dispositivo. [1]
Las máquinas de desplazamiento positivo
de tipo rotativo son básicamente máquinas
provistas de elementos rotativos, los
cuales desplazan y comprimen el fluido
que se encuentra en el interior de la
carcasa. Lo que garantiza una descarga
prácticamente exenta de pulsaciones.
En las bombas de desplazamiento positivo
de tipo rotativo, el principio de
desplazamiento positivo se evidencia en la
cámara de bombeo formada por los límites
del elemento rotor y la carcasa de la
bomba. El caudal es proporcional a la
velocidad y es teóricamente independiente
de la altura manométrica; este
comportamiento es similar en las bombas
alternativas, aunque el rendimiento
volumétrico que se puede alcanzar es
menor.1
En comparación con las bombas de tipo
alternativo, en las bombas rotativas
usualmente se requiere de lumbreras en
lugar de válvulas, y la gama de tamaños
posibles es más restringida. [2]
El campo de aplicación de las bombas de
desplazamiento positivo rotativas es muy
extenso. Se utilizan para manejar una gran
variedad de fluidos; tienen un amplio
las curvas de presión vs caudal de la bomba para diferentes velocidades de giro no son exactamente rectas [2].
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rango de capacidades para distintas
presiones, viscosidades y temperaturas. [3]
OBJETIVOS
1. Comprender el funcionamiento de una
bomba de desplazamiento positivo
(BDP) rotativa.
2. Construir las curvas características de
una BDP rotativa para diferentes
velocidades de rotación, a saber:
a. Caudal vs Presión (𝑄 𝑣𝑠 𝑃)
b. Potencia vs Presión (�̇� 𝑣𝑠 𝑃)
c. Eficiencia vs Presión (𝜂 𝑣𝑠 𝑃)
CONCEPTOS TEÓRICOS
Una bomba de engranajes externos, se
compone de dos engranajes de dientes
usualmente rectos; uno conductor y otro
conducido, los cuales se encuentran
alojados en una carcasa.
En una bomba de engranajes, el engranaje
conductor recibe la potencia entregada por
el motor e impulsa al engranaje conducido.
El fluido se precipita hacia el interior de la
bomba debido al vacío que se genera
cuando los dientes se desacoplan durante
la rotación; de esta manera, la cámara de
bombeo se define como el volumen
alojado entre las crestas de dos dientes
consecutivos y las paredes interiores de la
carcasa. La cámara se desplaza por la
periferia interior de la carcasa a medida
que ocurre la rotación y, finalmente, el
fluido se impulsa hacia el exterior de la
bomba cuando los dientes se acoplan entre
sí.
La figura 1 muestra una vista seccionada
de una bomba de engranajes externos y sus
principales componentes. También
muestra el recorrido del fluido por la
bomba desde el punto de succión hasta la
descarga de la misma.
Figura 1. Vista seccionada de una bomba de
engranajes externos de dientes rectos [10]
El proceso de bombeo en una bomba de
engranajes puede sintetizarse en tres fases
completamente identificables, las cuales se
pueden observar en la figura 2 y se
describen a continuación [4]:
1. Open to inlet / Abierto a la succión
(OTI): En la primera fase, la cámara
se encuentra abierta únicamente a la
succión de la bomba. Durante esta
fase se realiza el llenado de la cámara
de bombeo. Para garantizar que la
cámara se defina lentamente para
evitar pulsaciones en el bombeo.
2. Closed to inlet and outlet / Cerrado a
la succión y a la descarga (CTIO): En
esta fase la cámara de bombeo ya se
encuentra completamente definida y
realiza el recorrido por las paredes
internas de la bomba hacia la
descarga.
3. Open to outlet / Abierto a la descarga
(OTO): Durante esta fase, el fluido se
precipita hacia el exterior de la bomba
mediante la conexión en su descarga.
El impulso que se comunica al fluido
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se genera por el acople de los dientes
de los engranajes. De manera similar
a la OTI. Este cambio de volumen se
debe realizar lentamente para evitar
pulsaciones en el bombeo.
Además de los dientes de los engranajes y
la carcasa de la bomba; la cámara de
bombeo se define o cierra mediante
bloques de sellado, los cuales se
encuentran en el interior de la carcasa de la
bomba y poseen el empaque para
hermetizar la misma. En estos bloques se
alojan los ejes de los engranajes.
El número de dientes2 dependerá de las
características de la bomba, ya que un gran
número de dientes garantiza un flujo
homogéneo, sin picos importantes de
presión y pulsaciones; pero reduce la
capacidad total de la bomba. Las bombas
de engranajes con un número menor de
dientes poseen un caudal más elevado,
pero menos homogéneo, con posibilidades
de presencia de picos de presión y
pulsaciones. Lo anterior se debe
básicamente al volumen de las cámaras de
bombeo que se pueden definir al interior
de la misma.
Figura 2. Fases de bombeo en una bomba de engranajes externos [9]
2 Los engranajes de la bomba instalada en el banco cuentan con 11 dientes
Bomba de engranajes externos
Ventajas de las bombas de engranajes
Tienen una construcción simple.
Amplio gama de capacidades
(desde 1 a 600 lpm)
Rendimientos volumétricos de
hasta 93%.
Pueden desarrollar presiones de
hasta 3000 psi.
Poseen propiedades reversibles, se
limita por la arquitectura.
Desarrollan presiones superiores a
otro tipo de bombas rotativas e
características similares.
Desventajas de las bombas de
engranajes
Los fluidos abrasivos pueden
generar desgaste prematuro debido
a las pequeñas tolerancias con que
se fabrican.
No deben trabajar en vacío durante
un largo periodo de tiempo.
Rango de operación de las bombas de
engranajes
Presión: hasta 3000 psi.
Caudal: Hasta 600 lpm.
Velocidad de rotación: Hasta 4000
rpm
Curvas de desempeño
Las curvas de desempeño que definen el
funcionamiento de una bomba rotativa,
son típicamente:
Caudal vs presión
Potencia vs presión
Eficiencia vs presión
La figura 3 muestra el comportamiento
típico de una bomba de desplazamiento
positivo de tipo rotativo para diferentes
velocidades de rotación.
Figura 3. Curvas de desempeño de una BDP
rotativa para diferentes velocidades de
rotación.
N1<N2<N3<N4 [2]
Los fabricantes usualmente proporcionan
las curvas de operación para diferentes
valores de presión. Tal como se muestra
en la figura 4.
Figura 4. Curvas de operación de una
bomba rotativa para diferentes valores de
presión [8]
Bomba de engranajes externos
DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO3
El banco de pruebas consta de un motor
eléctrico trifásico basculante, una bomba
de engranajes externos de acero con
carcasa de aluminio, una válvula de
seguridad, válvula de control de flujo,
filtro de aceite, instrumentos de medición
de fuerza, presión y caudal.
Adicionalmente, cuenta con un actuador
lineal y una válvula direccional como
ejemplo aplicativo.
Además, el banco cuenta con una bomba
de aspas deslizantes y un reductor de
velocidad, los cuales se pueden instalar en
el banco para realizar pruebas con este
tipo de bomba.
A continuación, se muestran algunos de
los elementos que componen el banco
hidráulico.
Figura 5. Motor eléctrico basculante [5]
3 Este equipo y su posterior adaptación son el resultado de dos trabajos de grado [7] [8]
Figura 6. Bomba de engranajes externos [6]
Figura 7. Válvula reguladora de caudal [5]
Figura 8. Flujómetro [5]
Bomba de engranajes externos
Figura 9. Depósito de aceite [5]
Figura 10. Celda de carga [6]
INFORMACIÓN TÉCNICA
Las siguientes tablas suministran los datos
técnicos de los elementos que componen el
banco hidráulico
Tabla 1. Datos técnicos de la bomba de
engranajes [catálogo]
Fabricante SAUER DANFOSS
Tipo Engranajes de dientes
externos
Referencia SNP2/5.5 S CI 06/0F
Peso neto 2.6 kgf (lb) Desplazamiento 5.5 cm3 rev⁄
Conexión de succión 1 1/16 in. Conexión de descarga 7/8 in
Caudal máximo (Qmax) 18 lpm
Presión nominal (P) 250 bar Presión máxima (Pmax) 280 bar
Número de dientes 11
Tabla 2. Datos técnicos del flujómetro
Fabricante Hedland
Tipo Área variable tipo
pistón
Referencia E-Z
Rango de Caudal 0.5 – 4 GPM
2 – 15 lpm Diámetro de entrada 1” NPT
Diámetro de salida 1” NPT
Fluido Aceite
Presión máxima 325 PSI
Temperatura máxima 60°C
Calibración estándar SG = 0.876 para aceite
32 cSt viscosidad Material Polysulfone or Radel®
Tabla 3. Datos técnicos del depósito de aceite
Material acero
Accesorios Filtro interno tipo malla metálica, Nivel de vidrio
Capacidad 3 US Gal. (12 l) Tipo de aceite Shell TELLUS S2M 32
Viscosidad del
aceite 32 cSt a 40 °
Tabla 4. Datos técnicos de la celda de carga
Fabricante Omegadyne
Modelo LCFD-10 247924
Rango 0 – 10 lbs Excitación 5.00 V DC
Temperatura -54 a 121 °C
-65 a 250 °F Sobrecarga segura 150 FS
Tornillo de fijación 6-32 UNC Longitud del cable 5 ft
Bomba de engranajes externos
Tabla 5. Datos técnicos del motor
Fabricante General Electric Referencia 5K48NG626X
Factor de servicio (SF) 1.15
Voltaje 230 V-460V Intensidad 6.0 / 3.0 A SFA 6.6/3.3
FR 56
AMB 40C
INS. CL B NEMA DSN B TIME RATING CONT Potencia 2.0 HP
Fases 3
Frecuencia 60 Hz
RPM 3450 CODE H
Térmicamente
protegido Brazo del motor
basculante (d) 0.16 m
PROCEDIMIENTO
1. Verificar las conexiones eléctricas del
equipo.
2. Conectar el visor de la celda de carga 30
minutos previos al inicio de la práctica.
3. Verificar que el eje de la celda de carga se
encuentre alineado con el tornillo que
ejerce presión sobre ella.
4. Verificar que el visor de la celda de carga
registre un valor de cero cuando exista
contacto entre la celda de carga y el
tornillo4.
5. Verificar que la válvula reguladora de flujo
se encuentre totalmente abierta.
6. Ajustar el tornillo moleteado (grafilado)
del sistema basculante para evitar quee
exista contacto entre los brazos del motor y
4 Utilizar el botón “TARE” del visor para configurar el cero del experimento 5 Previo a alcanzar la velocidad mínima de rotación, se presentan vibraciones que pueden generar daños en la celda de carga.
la celda de carga cuando inicie el giro del
motor5.
7. Verificar que el depósito de aceite contenga
el volumen de fluido requerido6.
8. Ajustar el interruptor del variador de
frecuencia en posición “OFF”.
9. Ajustar la perilla del variador de tal forma
que la frecuencia tenga un valor de cero
cuando se encienda el equipo.
10. Oprimir el pulsador de encendido del
“guarda-motor”. La pantalla del variador
de frecuencia debe mostrar la palabra
“OFF”.
11. Posicionar el interruptor del variador en
“ON”. El variador de frecuencia debe
mostrar la palabra “SEP”.
12. Girar levemente la perilla del variador y
verificar que el sentido de giro de la bomba
es el correcto7.
13. Ajustar la velocidad de rotación de la
bomba utilizando la perilla del variador al
valor previamente establecido por el
profesor de laboratorio. Registrar la
velocidad de giro del motor con el
tacómetro óptico proporcionado por el
laboratorio. Nota: Frecuencia mínima
para el variador: 20 Hz
14. Una vez se alcance el valor mínimo de
frecuencia, y se observe que la vibración
del equipo se ha estabilizado aflojar el
tornillo moleteado (ver figura 10) para
permitir que el brazo ejerza presión sobre
la celda de carga. El display de la celda de
carga debe registrar valores positivos de
fuerza.
6 70% del volumen total del depósito como mínimo. 7 Sentido anti horario visto desde la cara posterior el motor
Bomba de engranajes externos
15. Para un valor de rotación fija8, registrar los
valores de: presión de descarga, caudal y
fuerza en la celda de carga. Se recomienda
un valor máximo de presión de 600 psi9.
16. Verificar que la velocidad del giro del
motor se encuentre en el valor establecido10
previo a la toma de cada dato.
17. Consignar los datos en la tabla
suministrada para el desarrollo de la
práctica (ver tabla 6).
18. Ajustar el tornillo moleteado para evitar
que la celda de carga haga contacto con el
brazo del motor. Disminuir la frecuencia a
0 Hz.
19. Repetir el procedimiento para un valor de
velocidad de rotación diferente.
Tabla 6. Datos experimentales
𝑁𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 [𝑟𝑝𝑚]
P [psi] Q [lpm] F [kgf]
1 100
2 200
3 280
4 360
5 420
VARIABLES Y CÁLCULOS
P: Presión de descarga de la bomba
Q: caudal efectivo (válvula de seguridad
cerrada)
F: Fuerza ejercida sobre la celda de carga.
𝑁𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎: Velocidad de rotación de la bomba
en rpm.
FHP o FkW: potencia hidráulica en HP o en
KW.
8 Para mantener constante la velocidad de rotación, hacer uso de la perilla del variador de frecuencia 9 Se recomienda iniciar en 100 psi, realizar un incremento a 200 psi; y realizar incrementos de 80 psi hasta la presión máxima.
𝐹𝐻𝑃 𝑜 𝐹𝑘𝑊 = 𝑃 × 𝑄
d: Brazo del motor basculante (medido desde
el centro del motor hasta el punto de contacto
de la celda)
T: Torque ejercido por el motor.
𝑇 = 𝐹 × 𝑑
BHP: Potencia de accionamiento o potencia
consumida por la bomba.
𝐵𝐻𝑃 = 𝑇 × 𝜔
ω: Velocidad de rotación de la bomba en rad/s
INFORME
1. Para una misma velocidad de rotación
de la bomba, trazar las siguientes
curvas en una misma gráfica
a. Caudal vs Presión (Q vs P)
b. Potencia de accionamiento vs
Presión (BHP vs P)
c. Eficiencia vs Presión (η vs P)
2. Compare el comportamiento de la
bomba para ambas velocidades de
rotación.
3. Compare el comportamiento de la
bomba analizada con el
comportamiento típico de una BDP
REFERENCIAS
[1] MATAIX, Claudio. Mecánica de
Fluidos y Máquinas Hidráulicas. 2 ed.
México: Harla, 1982. 660 p.
[2] WARRING, R.H. Selección de
Bombas- Sistemas y Aplicaciones. España
: Labor, 1977. 362 p.
10 A medida que la presión de descarga de la bomba aumenta, se requiere mayor potencia de accionamiento, esto produce una disminución en la velocidad de rotación del motor. Por este motivo, la frecuencia debe aumentar para que la velocidad de rotación permanezca constante.
Bomba de engranajes externos
[3] VIEJO ZUBICARAY, Manuel;
ALVAREZ FERNÁNDEZ, Javier.
Bombas, Teoría, Diseño y Aplicaciones. 3
ed. México : Limusa. 2003. 239 p.
[4] HICKS, Tyler. Pump selection and
application. 1st ed. New York: McGraw-
Hill, 1957. 422 p.
[5] ARANGO RIOS, Johan Sebastián;
SOTO LOPERA, Jhony Heriberto. Diseño
y Construcción de un Banco Hidráulico
con Bomba de Desplazamiento Positivo
Rotativa para el Laboratorio de Fluidos y
Máquinas Hidráulicas de la Universidad
Tecnológica de Pereira. Universidad
Tecnológica de Pereira. 2014.
[6] TORRES COLORADO, Juan Camilo.
Adecuación del banco de pruebas de
bomba de desplazamiento positivo del
laboratorio de fluidos y máquinas
hidráulicas de la universidad tecnológica
de Pereira para realizar pruebas con una
bomba de engranajes externos.
Universidad Tecnológica de Pereira. 2019
[7] http://www.badgermeter.com/Flow-
Instrumentation/Hedland/EZ-View-Flow-
Meters.htm
[8] Sauer Danfoss. Group 2 gear pumps.
Technical Information. 2010.
[9]http://mundohidraulico.net/index.php/o
leohidraulica/como-funcionan-las-
bombas-de-engranajes
[10] http://industrial-automatica. blogspot.
com/2011/08/bombas-hidraulicas-2-bombas-
de.html